Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser – auch bei der Sicherheit von Computerprogrammen. Statt sich auf „Ausweispapiere“ in Form von Zertifikaten zu verlassen, durchleuchtet die neue Softwareanalyse JOANA den Quelltext (Code) eines Programms. Auf diese Weise spürt sie die Lecks auf, über die geheime Informationen nach außen gelangen oder Fremde von außen in das System eindringen können. Gleichzeitig reduziert JOANA die Zahl der Fehlalarme auf ein Minimum. Das am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelte Analysewerkzeug hat sich bereits in realistischen Testszenarien bewährt. Als Nächstes ist eine industrielle Fallstudie geplant.
„Gängige Softwarezertifikate bescheinigen die Vertrauenswürdigkeit des Herstellers. Mit JOANA können wir ergänzend das tatsächliche Verhalten eines Programms überprüfen“, sagt Gregor Snelting, der das Analysewerkzeug mit seiner Forschergruppe am Lehrstuhl Programmierparadigmen des KIT entwickelt hat. Das sei deshalb so wichtig, weil die meisten Schwachstellen auf unbeabsichtigte Programmierfehler zurückgingen. Im Fokus der Wissenschaftler stehen derzeit mobile Anwendungen für Android-Smartphones. Prinzipiell können sie aber fast alle Programme testen, die in den gängigen Sprachen JAVA, C oder C++ geschrieben sind. Zunächst sollen Softwareunternehmen ihre Produkte prüfen lassen können, bevor sie damit an den Markt gehen. Da derzeit noch Fachleute das Einrichten und Bedienen übernehmen müssen, ist JOANA für private Nutzer weniger geeignet.
JOANA überprüft sämtliche Datenkanäle einer Software, durch die Informationen fließen, und findet dadurch die Sicherheitslücken. „Wir unterscheiden zwischen öffentlich sichtbaren Kanälen, die beispielsweise die Nutzeroberfläche abbilden, und geschützten Kanälen, auf die Anwender nicht zugreifen können“, erklärt Snelting. „Für die Sicherheit von geheimen Informationen, wie Passwörtern oder Kontonummern, ist entscheidend, dass sie ausschließlich in geschützten Kanälen befördert werden.“ Wo sich geheime und öffentliche Datenströme kreuzten, sei ein Informationsaustausch prinzipiell möglich und so bestehe Gefahr, dass sensible Informationen weitergegeben würden.
Die Wissenschaftler unterscheiden mehrere Sicherheitslücken: So können beispielsweise direkt lesbare Kopien sensibler Daten nach außen gelangen (explizites Leck) oder nur die Muster, nach denen sie verschlüsselt sind (implizites Leck). Problematisch ist auch, wenn sich geheime Passwörter auf die wahrscheinliche Reihenfolge sichtbarer Informationsflüsse auswirken (probabilistisches Leck) – und daraus rekonstruierbar sind. Ein vereinfachtes Beispiel: Der Befehl ein „rotes L“ zu drucken erreicht einen Drucker zeitgleich mit dem geheimen Passwort für die Zugriffsberechtigung. Lautet das Passwort AB, kommt die Information „L“ in den meisten Fällen kurz vor der Information „rot“ an. Lautet das Passwort BA, ist es genau umgekehrt.. JOANA erkennt auch solche Sicherheitslücken zuverlässig, obwohl sie schwerer zu identifizieren sind.
„Mindestens ebenso wichtig, wie alle Sicherheitslücken zu finden, ist es, möglichst wenig Fehlalarme zu produzieren“, sagt Snelting. Viele Fehlalarme führten zu einem massiv erhöhten Prüfaufwand oder dazu, dass Alarme ignoriert würden. JOANA reduziert die Zahl der Fehlalarme für alle Sicherheitslücken – auch für probabilistische Lecks. Die KIT-Wissenschaftler haben dafür eine neue Rechenmethode entwickelt (Relaxed Low-Security Oberservational Determinism), die nur an sicherheitskritischen Stellen eine feste Reihenfolge für beobachtbare Prozessschritte vorschreibt. Im obigen Beispiel hieße das, die Information „rot“ muss den Drucker immer vor der Information „L“ erreichen, unabhängig vom Passwort. „Die Herausforderung war, sicherheitsirrelevante Prozesse von solch strikten Vorgaben auszunehmen“, so Snelting. Andernfalls stiege entweder die Zahl der Fehlalarme, weil jede Abweichung als gefährlich eingestuft würde, oder die Ausführungen eines Programms müssten so massiv beschränkt werden, dass es praktisch nicht mehr nutzbar sei.
JOANA ist bislang weltweit das einzige Softwareanalysewerkzeug, das nicht nur alle Sicherheitslücken findet, sondern auch die Zahl der Fehlalarme minimiert, ohne die Funktionsfähigkeit von Programmen zu beeinträchtigen. Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft haben die KIT-Wissenschaftler rund zwanzig Jahre auf diesem Gebiet geforscht. „Längerfristig könnte mit JOANA geprüfte Software ein neuartiges Zertifikat erhalten, das die Sicherheit des Programmcodes bescheinigt“, sagt Snelting.
Für interessierte Fachleute steht JOANA als Open Source Software zum Download zur Verfügung: http://pp.ipd.kit.edu/projects/joana
Digitale Pressemappe zum Wissenschaftsjahr 2014
Ob in der Kommunikation, der Energieversorgung oder der Mobilität, in der Industrie, im Gesundheitsbereich oder in der Freizeit: Digitale Technologien sind längst Teil unseres Alltags, sie eröffnen neue Möglichkeiten und bieten Lösungen für gesellschaftliche Probleme. Gleichzeitig stellen sie uns vor Herausforderungen. Chancen und Risiken stehen im Mittelpunkt des Wissenschaftsjahres 2014 – Die Digitale Gesellschaft. Am KIT beschäftigen sich Forscherinnen und Forscher aller Disziplinen mit den vielfältigen – technischen und gesellschaftlichen – Aspekten der Digitalisierung. Kurzporträts, Presseinformationen und Videos dazu bietet die digitale Pressemappe des KIT zum Wissenschaftsjahr:
www.pkm.kit.edu/digitalegesellschaft
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.